CN115749747A - 一种自适应变频实时井下动液面监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤层开采动液面监测技术领域，涉及一种自适应变频实时井下动液面监测装置及方法，防爆箱内设有：电源模块，用于提供电压；测距模块，包括无源讯响器与微音器，无源讯响器用于提供监测所需声源；微音器用于接收接箍回波和液面回波信号，并将其模拟信号转化为电信号；控制模块，包括时钟电路和逻辑控制电路，用于控制监测频率为5分钟一次，控制无源讯响器发出不同的声音频率，通过增加或降低高电平占空比控制声音响度；数据收发模块，包括数据采集卡和无线通信模块，用于将采集到的传感器数据发送至上位机，上位机用于实现动液面数据解析、实时计算、存储与显示。本发明能够通过自动改变声源频率提高监测精度。
Description
技术领域
本发明涉及煤层开采动液面监测技术领域，具体地说，涉及一种自适应变频实时井下动液面监测装置及方法。
背景技术
生产煤层气普遍采用排水降压的排采方法。煤层气的产量最重要的影响因素是排采制度的调整，合理的排采制度可以提高气井的产量。在煤层气开采的过程中，随着油管排液的进行，由套管形成的环形空间内液面不断下降，导致煤层压力下降。为了提高采收率，需要逐级降低气井井底压力，形成充分的压降漏斗。因此需要对煤层气井环空动液面进行监测，采用合理的生产压差进行排采。传统的监测有电子压力计法，测量时将专用电缆组件缚在油管上，电子压力计钻井时放入井底，压力信号通过电缆传输至地面的接收器，完成井底压力的测量。这种测量方法的优点是精度高，但成本较高，维护不便，一般用于重点开发的气井。其次最普遍采用的是回声监测法，测量时首先人工操作安装在井口的声波发生器阀门，声波在空气中传播至液面过程中，遇到障碍物会发生反射，最终由井口的微音器接收声波信号。经过一定处理后由输出设备如液晶显示仪或纸带记录仪显示回波信号，计算声速和传播时间即可得到动液面深度。这种测量方法的优点是费用相对便宜，但始终用同种频率声源进行监测仅仅满足远距离的监测需求并且监测精度较低。
目前液面监测仪除了装置成本、精度有不足外，在使用液面监测装置监测环空液面变化时间隔时间太长，不能做到实时监测从而得出环空液面下降速率；在监测过程中不能自动选择最佳声源频率进行监测，降低了监测的精度。
发明内容
本发明的内容是提供一种自适应变频实时井下动液面监测装置及方法，其能够通过自动改变声源频率提高监测精度，通过提高监测频率获得液面漏速，具有结构简单、操作方便、安全高效及实用性强的优点。
根据本发明的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其包括防爆箱，防爆箱内设有：
电源模块，用于提供电压；
测距模块，包括无源讯响器与微音器，无源讯响器用于提供监测所需声源；微音器用于接收接箍回波和液面回波信号，并将其模拟信号转化为电信号；
控制模块，包括时钟电路和逻辑控制电路，用于控制监测频率为5分钟一次，控制无源讯响器发出不同的声音频率，通过增加或降低高电平占空比控制声音响度，使声音响度保持一致；
数据收发模块，包括数据采集卡和无线通信模块，用于将采集到的传感器数据发送至上位机，上位机用于实现动液面数据解析、实时计算、存储与显示。
作为优选，电源模块通过焊接的方式将外壳焊接在防爆箱中；电源模块引出不同的电压接口分别给无源讯响器、微音器、控制模块、数据收发模块提供所需电压。
作为优选，控制模块通过焊接的方式将外壳焊接在防爆箱底部，控制模块一方面通过程序编译得到不同频率的方波信号从而调节无源讯响器频率实现自适应变频监测，通过调节方波信号占空比从而调节无源讯响器响度；另一方面，控制模块通过程序编译设置延时电路，控制微音器在无源讯响器发出声音并延时指定时间之后开始接收回波信号，并控制测距模块每5分钟监测一次。
作为优选，防爆箱根据易燃易爆气体混合物划分，采用防爆等级为IICT的防爆箱；防爆箱与四通管汇通过连接套螺纹连接。
作为优选，无源讯响器由压电陶瓷片与金属外壳构成，金属外壳攻有外螺纹与连接套内螺纹进行连接；微音器钢管末端同样攻有外螺纹与连接套上内螺纹进行连接，微音器内置自动增益放大电路实现回波信号的放大，经放大处理的电信号数据将传入数据收发模块。
作为优选，数据收发模块采用焊接的方式固定在防爆箱底部，数据采集卡用于采集传感器数据，其采样频率为两倍声源频率，无线通信模块用于数据采集卡采集的数据发送数据至上位机。
作为优选，上位机采用一台安装有MATLAB信号处理软件的计算机，当回波信号通过无线通信模块传回时，由上位机进行滤波、小波变换，傅里叶变换操作，若能分析出液面回波位置则发送信号至控制模块采用当前频率继续监测两次，若不能分析出液面回波位置则发送信号至控制模块更换下一级声源频率进行监测，最后将液面距离与漏速存入数据库。
本发明还提供了一种自适应变频实时井下动液面监测方法，其采用如上述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，并包括：
控制模块首先控制无源讯响器发出一级声源进行监测，再由微音器接收回波信号，回波信号通过自动增益放大电路被数据采集卡采集，其中数据采集卡的采样频率为声源频率的2倍，采集得到的数据由无线通信模块发送至上位机做进一步处理；当上位机通过MATLAB信号分析后能分析出动液面回波位置，则上位机发出信号使控制模块继续以原来声源频率监测两次，再由三次测得的动液面高度变化值结合煤层气采气井环空面积求得瞬时漏速，最后将液面距离与瞬时漏速存入数据库；当上位机不能根据一级声源监测得到的数据分析出动液面回波位置，则上位机发出信号使控制模块将声源改为二级声源进行监测，上位机再将二级声源监测到的数据进行分析，若能准确分析出动液面回波位置则以该频率声源继续监测两次，以同样的方法得出液面漏速与动液面距离并存入数据库，若上位机不能通过二级声源得出的数据分析出动液面回波位置，则上位机发出信号使控制器将监测声源改变为三级声源重复上述过程，若通过三级声源所得数据仍不能分析出动液面回波位置则采用四级声源进行重复监测，并将漏速、液面距离存入数据库。
采用了上述技术方案之后，与现有的技术相比，其有益效果在于通过自适应变频声源能够将目标距离与声源频率所能监测到的距离范围进行有效匹配从而达到更高的监测精度；通过较高的监测频率能够得出目标液面的上升或下降速率；从结构上看上述设计采用模块化装置，结构上更加紧凑；从成本上看本动液面监测装置更加低廉。
附图说明
图1为实施例中一种自适应变频实时井下动液面监测装置的结构示意图。
图2为实施例中一种自适应煤层气开采动液面监测方法的流程图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其包括防爆箱1，防爆箱1内设有：
电源模块2，用于提供电压；
测距模块9，包括无源讯响器10与微音器11，无源讯响器10用于提供监测所需声源；微音器11用于接收接箍回波和液面回波信号，并将其模拟信号转化为电信号；
控制模块6，包括时钟电路8和逻辑控制电路7，用于控制监测频率为5分钟一次，控制无源讯响器10发出不同的声音频率，通过增加或降低高电平占空比控制声音响度，使声音响度保持一致；
数据收发模块3，包括数据采集卡5和无线通信模块4，用于将采集到的传感器数据发送至上位机13，上位机13用于实现动液面数据解析、实时计算、存储与显示。
电源模块2通过焊接的方式将外壳焊接在防爆箱1中；电源模块2引出不同的电压接口分别给无源讯响器10、微音器11、控制模块6、数据收发模块3提供所需电压。
控制模块6通过焊接的方式将外壳焊接在防爆箱1底部，控制模块6一方面通过程序编译得到不同频率的方波信号从而调节无源讯响器10频率实现自适应变频监测，通过调节方波信号占空比从而调节无源讯响器10响度；另一方面，控制模块6通过程序编译设置延时电路，控制微音器11在无源讯响器10发出声音并延时指定时间之后开始接收回波信号，并控制测距模块9每5分钟监测一次。
防爆箱1根据易燃易爆气体混合物划分，采用防爆等级为IICT1的防爆箱；防爆箱1与四通管汇通过连接套12螺纹连接。
无源讯响器10由压电陶瓷片与金属外壳构成，金属外壳攻有外螺纹与连接套12内螺纹进行连接；微音器11钢管末端同样攻有外螺纹与连接套12上内螺纹进行连接，微音器11内置自动增益放大电路实现回波信号的放大，经放大处理的电信号数据将传入数据收发模块3。
数据收发模块3采用焊接的方式固定在防爆箱1底部，数据采集卡5用于采集传感器数据，其采样频率为两倍声源频率，无线通信模块4用于数据采集卡5采集的数据发送数据至上位机13。
上位机13采用一台安装有MATLAB信号处理软件的计算机，当回波信号通过无线通信模块4传回时，由上位机13进行滤波、小波变换，傅里叶变换操作，若能分析出液面回波位置则发送信号至控制模块6采用当前频率继续监测两次，若不能分析出液面回波位置则发送信号至控制模块6更换下一级声源频率进行监测，最后将液面距离与漏速存入数据库。
如图2所示，本实施例还提供了一种自适应变频实时井下动液面监测方法，其采用上述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，并包括：
控制模块6首先控制无源讯响器10发出一级声源进行监测，再由微音器11接收回波信号，回波信号通过自动增益放大电路被数据采集卡5采集，其中数据采集卡5的采样频率为声源频率的2倍，采集得到的数据由无线通信模块4发送至上位机13做进一步处理；当上位机13通过MATLAB信号分析后能分析出动液面回波位置，则上位机13发出信号使控制模块6继续以原来声源频率监测两次，再由三次测得的动液面高度变化值结合煤层气采气井环空面积求得瞬时漏速，最后将液面距离与瞬时漏速存入数据库；当上位机13不能根据一级声源监测得到的数据分析出动液面回波位置，则上位机13发出信号使控制模块6将声源改为二级声源进行监测，上位机13再将二级声源监测到的数据进行分析，若能准确分析出动液面回波位置则以该频率声源继续监测两次，以同样的方法得出液面漏速与动液面距离并存入数据库，若上位机13不能通过二级声源得出的数据分析出动液面回波位置，则上位机13发出信号使控制器6将监测声源改变为三级声源重复上述过程，若通过三级声源所得数据仍不能分析出动液面回波位置则采用四级声源进行重复监测，并将漏速、液面距离存入数据库。
本发明工作原理如下:
回声法测距就是通过声波在井底液面反射原理监测液面变化情况，即声波通过声波发射装置沿着井筒向下传播，由于液面与空气声阻抗相差巨大，因此声波遇到液面后反射回来，通过传播时间和传播速度计算井下动液面位置，该方法自动化程度高、监测精度高，而且可以实现无线监测的目的。
本实施例可通过改变无源讯响器10频率监测位于不同井段的动液面深度；首先根据一级声源监测结果判断是否能够分析出液面位置，若能，则继续采用该频率进行监测；若不能再由控制模块6自动逐级调节测距模块9，直到找到最佳监测频率为止，其次通过控制模块6提高监测频率，监测频率为5分钟一次，本实施例通过自动改变声源频率提高监测精度，通过提高监测频率获得液面漏速，具有结构简单、操作方便、安全高效及实用性强的优点。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其特征在于：包括防爆箱(1)，防爆箱(1)内设有：
电源模块(2)，用于提供电压；
测距模块(9)，包括无源讯响器(10)与微音器(11)，无源讯响器(10)用于提供监测所需声源；微音器(11)用于接收接箍回波和液面回波信号，并将其模拟信号转化为电信号；
控制模块(6)，包括时钟电路(8)和逻辑控制电路(7)，用于控制监测频率为5分钟一次，控制无源讯响器(10)发出不同的声音频率，通过增加或降低高电平占空比控制声音响度，使声音响度保持一致；
数据收发模块(3)，包括数据采集卡(5)和无线通信模块(4)，用于将采集到的传感器数据发送至上位机(13)，上位机(13)用于实现动液面数据解析、实时计算、存储与显示。
2.根据权利要求1所述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其特征在于：电源模块(2)通过焊接的方式将外壳焊接在防爆箱(1)中；电源模块(2)引出不同的电压接口分别给无源讯响器(10)、微音器(11)、控制模块(6)、数据收发模块(3)提供所需电压。
3.根据权利要求1所述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其特征在于：控制模块(6)通过焊接的方式将外壳焊接在防爆箱(1)底部，控制模块(6)一方面通过程序编译得到不同频率的方波信号从而调节无源讯响器(10)频率实现自适应变频监测，通过调节方波信号占空比从而调节无源讯响器(10)响度；另一方面，控制模块(6)通过程序编译设置延时电路，控制微音器(11)在无源讯响器(10)发出声音并延时指定时间之后开始接收回波信号，并控制测距模块(9)每5分钟监测一次。
4.根据权利要求1所述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其特征在于：防爆箱(1)根据易燃易爆气体混合物划分，采用防爆等级为IICT1的防爆箱；防爆箱(1)与四通管汇通过连接套(12)螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其特征在于：无源讯响器(10)由压电陶瓷片与金属外壳构成，金属外壳攻有外螺纹与连接套(12)内螺纹进行连接；微音器(11)钢管末端同样攻有外螺纹与连接套(12)上内螺纹进行连接，微音器(11)内置自动增益放大电路实现回波信号的放大，经放大处理的电信号数据将传入数据收发模块(3)。
6.根据权利要求1所述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其特征在于：数据收发模块(3)采用焊接的方式固定在防爆箱(1)底部，数据采集卡(5)用于采集传感器数据，其采样频率为两倍声源频率，无线通信模块(4)用于数据采集卡(5)采集的数据发送数据至上位机(13)。
7.根据权利要求1所述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，其特征在于：上位机(13)采用一台安装有MATLAB信号处理软件的计算机，当回波信号通过无线通信模块(4)传回时，由上位机(13)进行滤波、小波变换，傅里叶变换操作，若能分析出液面回波位置则发送信号至控制模块(6)采用当前频率继续监测两次，若不能分析出液面回波位置则发送信号至控制模块(6)更换下一级声源频率进行监测，最后将液面距离与漏速存入数据库。
8.一种自适应变频实时井下动液面监测方法，其特征在于：其采用如权利要求1-7中任一所述的一种自适应变频实时井下动液面监测装置，并包括：
控制模块(6)首先控制无源讯响器(10)发出一级声源进行监测，再由微音器(11)接收回波信号，回波信号通过自动增益放大电路被数据采集卡(5)采集，其中数据采集卡(5)的采样频率为声源频率的2倍，采集得到的数据由无线通信模块(4)发送至上位机(13)做进一步处理；当上位机(13)通过MATLAB信号分析后能分析出动液面回波位置，则上位机(13)发出信号使控制模块(6)继续以原来声源频率监测两次，再由三次测得的动液面高度变化值结合煤层气采气井环空面积求得瞬时漏速，最后将液面距离与瞬时漏速存入数据库；当上位机(13)不能根据一级声源监测得到的数据分析出动液面回波位置，则上位机(13)发出信号使控制模块(6)将声源改为二级声源进行监测，上位机(13)再将二级声源监测到的数据进行分析，若能准确分析出动液面回波位置则以该频率声源继续监测两次，以同样的方法得出液面漏速与动液面距离并存入数据库，若上位机(13)不能通过二级声源得出的数据分析出动液面回波位置，则上位机(13)发出信号使控制器(6)将监测声源改变为三级声源重复上述过程，若通过三级声源所得数据仍不能分析出动液面回波位置则采用四级声源进行重复监测，并将漏速、液面距离存入数据库。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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